頻率為700MHz～1GHz的FSK收發(fā)器芯片MICRF500的原理與應(yīng)用

3內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
　　MICRF500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片內(nèi)含接收、發(fā)射和控制接口（ControlInterface）三部分。其中接收部分由低噪聲放大器（LNA）、混頻器、RC濾波器（RCFilters）、解調(diào)器（Demod）、RSSI等電路組成。發(fā)射部分由功率放大器（PA）、預(yù)置比例分頻器（Prescaler）、A計(jì)數(shù)器（Acounter）、N計(jì)數(shù)器（Ncounter）、M計(jì)數(shù)器（Mcounter）、壓控振蕩器（VCO）、相位檢波器（Phase Detector）、充電泵（Charge Pump）、晶體振蕩器（XCO）等電路組成。
　　當(dāng)MICRF500處在接收模式時(shí)，PLL合成器產(chǎn)生本振振蕩（LO）信號(hào)。N、M和A計(jì)數(shù)器給出的本振振蕩頻率被分別存儲(chǔ)在NO、MO和AO寄存器中。由于接收器是零中頻結(jié)構(gòu)，因而用低功耗的集成低通濾波器作為通道濾波器。接收裝置中的低噪聲放大器（LNA）用于驅(qū)動(dòng)正交混頻器對(duì)?；祛l器輸出饋送至兩路相同的相位積分信道。每條信道包括前置放大器、三階Sallet－Key RC低通濾波器和限幅器。主要信道的濾波器必須滿足電路的選擇性和動(dòng)態(tài)范圍。
Sallen－Key RC濾波器能通過(guò)編程劃分成四個(gè)不同的截止頻率：10kHz、30kHz、60kHz和200kHz。通過(guò)外圍電阻可以調(diào)整濾波器的截止頻率。解調(diào)器可解調(diào)I和Q信道的輸出并同時(shí)輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)I和Q信道信號(hào)的相對(duì)相位時(shí)，如果I信道落后于Q信道，F(xiàn)SK調(diào)制頻率將位于本振振蕩頻率之上（數(shù)據(jù) “1”）。如果I信道信號(hào)超前Q信道信號(hào)，F(xiàn)SK調(diào)制頻率則位于本振振蕩頻率之下（數(shù)據(jù)“0”）。DATAIXO腳為接收器輸出。RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示器）電路可用來(lái)顯示收到信號(hào)的強(qiáng)度級(jí)別。兩端的串行接口可用于對(duì)電路進(jìn)行編程。VCO諧振電路、晶體、反饋電容和VCO的FSK調(diào)制元件、回路濾波器、功放和濾波器的偏置電阻等外圍元器可用于RF輸入輸出的阻抗匹配和功率衰減。TX／RX的轉(zhuǎn)換則可通過(guò)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
　　MICRF500的應(yīng)用電路如圖2所示，該電路的工作頻率為869MHz。電路中，收發(fā)器的調(diào)制信號(hào)加到VCO，VCO和外圍元件工作于869MHz。MA4ST－350－1141是MACON制造的一個(gè)專用變?nèi)荻O管，而BAR63則是西門子公司生產(chǎn)的二極管。

　　由于VCO是一個(gè)基本的Colpitts振蕩器，因而應(yīng)有一個(gè)外部諧振器和一個(gè)可變電感，諧振器可由電感L1和線性電容C13組成。
　　晶體振蕩器的晶振是RF輸出頻率的基準(zhǔn)，因而要求具有很好的相位和頻率穩(wěn)定性。晶體振蕩器通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容C20可改變諧振頻率。要獲得小的頻偏，晶體要預(yù)老化且要有小的溫度系數(shù)。本設(shè)計(jì)采用10MHz晶振。
　　相位檢測(cè)輸出被轉(zhuǎn)換成電壓并經(jīng)14腳（LDC）外電容C23的濾波后，產(chǎn)生的直流電壓與位Ref0－Ref5設(shè)置的基準(zhǔn)窗口相比較。 Ref0～Ref5為1時(shí)，基準(zhǔn)窗口在0V；Ref0～Ref5為0時(shí)，其基準(zhǔn)窗口的直流電壓最大。另外，基準(zhǔn)窗口能在兩者之間線性步進(jìn)地上升或下降。窗口的大小可等效為2個(gè)（Ref6＝1）基準(zhǔn)臺(tái)階或4個(gè)（Ref6＝0）基準(zhǔn)臺(tái)階。
　　實(shí)現(xiàn)FSK有三種方法：第一種是使用VCO實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制，其對(duì)應(yīng)的發(fā)射頻率將被編程在分頻器A1、N1和M1中。在TX模式，DATAIXO端保持在三態(tài)，直到開始發(fā)射數(shù)據(jù)；第二種是通過(guò)開關(guān)在A、N和M分頻器兩組之間實(shí)現(xiàn)，A、N和M值對(duì)應(yīng)到接收頻率和兩發(fā)射頻率。發(fā)射數(shù)據(jù)“0”時(shí)，將對(duì)分頻器 A0、N0和M0進(jìn)行編程；發(fā)射數(shù)據(jù)“1”時(shí)，將對(duì)分頻器A1、N1和M1進(jìn)行編程；第三種則可通過(guò)加／減1到分配器A1來(lái)實(shí)現(xiàn)，其頻偏與比較頻率相等，發(fā)射頻率的校準(zhǔn)可通過(guò)對(duì)A1、N1和M1進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有類型的FSK調(diào)制數(shù)據(jù)都從引腳端DATAIXO輸入。
　　回路濾波的設(shè)計(jì)對(duì)優(yōu)化參數(shù)是很重要的，如調(diào)制速率、PLL鎖定時(shí)間、帶寬和相位噪聲等。低位率通常可調(diào)制在PLL內(nèi)，而將回路鎖定在不同的頻率上則可通過(guò)開關(guān)分頻器（M、N和A）來(lái)實(shí)現(xiàn)。高調(diào)制率（超過(guò)2400bps）一般靠PLL外調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)通常直接加到VCO。此時(shí)，回路濾波器的值可通過(guò)軟件進(jìn)行編程確定。
　　發(fā)射功率放大器是基本的AB類，最后一級(jí)是開集電極（OC）電路，因此應(yīng)外接一負(fù)載電感（L2）。放大器的直流電流通過(guò)外接偏置電阻R14來(lái)調(diào)整。當(dāng)偏置電阻值為1．5kΩ時(shí)，偏置電流為50μA。最后一級(jí)電路的偏置電流大約為15mA。
　　阻抗匹配與天線的類型也有很大關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)可采用最大輸出功率，并在功率放大器上接一約100Ω的阻抗。輸出功率可編程為8級(jí)，每級(jí)大約相差3dB，可以通過(guò)控制字Pa2－Pa0來(lái)進(jìn)行控制。
　　為了預(yù)防干擾信號(hào)干擾功放，功放應(yīng)當(dāng)緩慢的導(dǎo)通和截止。通過(guò)連接到24腳的電容C25可使偏置電流在限定范圍內(nèi)上升或下降。上升／下降電流典型值為 1．1μA，當(dāng)電源為3V時(shí)，開關(guān)速率為2．6μs／pF。由于轉(zhuǎn)換功放開關(guān)會(huì)影響PLL，所以開關(guān)速率必須與PLL帶寬相對(duì)應(yīng)。
　　緩沖放大器通常連接到VCO和功率放大器之間。功率放大器的輸入信號(hào)可以放大到期望的輸出功率。通過(guò)設(shè)置位Gc為“0”可以旁路緩沖級(jí)。
　　RF接收器的低干擾放大器可利用提升輸入信號(hào)來(lái)優(yōu)化頻率轉(zhuǎn)變過(guò)程。其主要目的是為了預(yù)防混頻器干擾。LAN是一個(gè)兩級(jí)放大器，正常時(shí)，在900MHz 處可以獲得23dB的增益，LAN具有一個(gè)直流外饋環(huán)，可為L(zhǎng)AN提供偏置。外接電容C26對(duì)所有的直流反饋環(huán)路均可起到退耦和穩(wěn)定作用。
　　通過(guò)設(shè)置ByLAN位為“1”可以旁路LAN，這對(duì)強(qiáng)信號(hào)是非常有用的。
　　混頻器在900MHz有12dB增益，在34、35和38、39腳中，每一路混頻器的輸出阻抗約為15kΩ。
　　解調(diào)器解調(diào)出來(lái)的信號(hào)的頻偏必須永遠(yuǎn)比頻漂大，且至少等于波特率加上頻漂。
　　限幅器是一個(gè)零點(diǎn)檢波器，其輸出為與I－Q相位差相對(duì)應(yīng)的值，波形是邊緣陡峭的方波。
　　解調(diào)器的作用是解調(diào)I和Q信道輸出并產(chǎn)生數(shù)字量輸出，同時(shí)可用來(lái)檢測(cè)I和Q信道信號(hào)之間的相位差。對(duì)于I信道，在限幅器輸出的每一個(gè)邊沿（上升沿和下降沿），Q信道限幅器輸出的振幅均被采樣，反之也如此。解調(diào)器的輸出通過(guò)DATAIXO引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)輸出被IF信號(hào)每周期更新四次。如果I信道信號(hào)滯后于Q信道，F(xiàn)SK調(diào)制頻率將位于LO頻率上方（數(shù)據(jù)“1”），而如果I信道超前Q信道，則FSK調(diào)制頻率將位于LO頻率下方（數(shù)據(jù)“0”）。
　　解調(diào)器的輸入和輸出通過(guò)一階RC低通濾波器濾波并經(jīng)過(guò)斯密特觸發(fā)器放大來(lái)產(chǎn)生方波。在低位率時(shí)，增加引腳18的電容（DATAC）可以減少RX數(shù)據(jù)信號(hào)濾波器的帶寬。濾波器的帶寬必須根據(jù)位率來(lái)進(jìn)行調(diào)整，這個(gè)功能一般通過(guò)RXFilt位來(lái)控制。
　　RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）電路的輸出與代表RF輸入信號(hào)強(qiáng)弱的直流電壓相對(duì)應(yīng)。當(dāng)接收到的RF輸入信號(hào)使RSSI輸出增加時(shí)，RSSI將作為信號(hào)的有無(wú)指示器而用于喚醒電路。無(wú)信號(hào)時(shí)，電路將處于睡眠模式以長(zhǎng)電池壽命。
　　在編程時(shí)，可用兩線（CLKIN和REGIN）式總線來(lái)編程電路，兩線串行總線接口可以控制分頻器、選擇TX的功率和RX以及合成器電路功能塊，其接口由一個(gè)80位編程寄存器組成。數(shù)據(jù)和第一有效位從REGIN線進(jìn)入，第一位輸入為P1，最后一位輸入為P80。程序寄存器中的位安排如表2所列。

　　當(dāng)CLKIN信號(hào)為高電平時(shí)，80位控制字首先讀入移位寄存器，然后通過(guò)REGIN信號(hào)（正的或負(fù)的）裝入并行寄存器。其接收和發(fā)射模式可由電路直接指定。圖3所示是MICRF500中CLKIN、REGIN、內(nèi)部LOAD、INT和PA－C信號(hào)的時(shí)序圖。
　　圖3中，在時(shí)序1時(shí)，倒數(shù)第二位數(shù)據(jù)被時(shí)鐘信號(hào)裝入移位寄存器（‘1’）；在時(shí)序2時(shí)，最后一位數(shù)據(jù)被時(shí)鐘信號(hào)裝入移位寄存器（‘1’）；時(shí)序3時(shí)，通過(guò)REGIN信號(hào)的轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生一內(nèi)部裝入脈沖，并將控制字裝入并行寄存器，從而使電路進(jìn)入新的模式（TX模式），并穩(wěn)定在這種新模式。在時(shí)序4時(shí)，如果時(shí)鐘信號(hào)變低，功放將慢慢開啟以使RF輸出信號(hào)最小。在PA開啟前，PLL處于可靠的鎖定狀態(tài)。而在LOCKDET被設(shè)置后，PA開啟。時(shí)序5時(shí)，功率放大器將滿負(fù)荷開啟。時(shí)序6時(shí)，一個(gè)新的控制字進(jìn)入移位寄存器。當(dāng)CLKIN為高時(shí)，REGIN信號(hào)發(fā)生跳變以關(guān)閉功率放大器。時(shí)序7時(shí)，功放關(guān)閉以產(chǎn)生內(nèi)部裝入脈沖，并將新控制字裝入并行寄存器，從而使電路進(jìn)入一個(gè)新的模式（節(jié)電模式），但CLKIN必須在產(chǎn)生內(nèi)部裝入脈沖后變低。當(dāng)CLKIN為高時(shí)， REGIN上將不會(huì)出現(xiàn)跳變，此時(shí)，新的控制字在任何時(shí)間內(nèi)，都不影響收發(fā)器操作，它將按照自己的方式按時(shí)進(jìn) 入移位寄存器。